CN120105837B 高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法 （中交四航工程研究院有限公司）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(10)授权公告号CN120105837B(65)同一申请的已公布的文献号(73)专利权人中交四航工程研究院有限公司地址510000广东省广州市白云区北太路1633号广州民营科技园科盛路8号配套服务大楼5层A505-398房赵娟(74)专利代理机构广州嘉权专利商标事务所有限公司44205专利代理师陈慧华WO2020239098A1,2020.12.03审查员古志春高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法本发明公开了一种高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，属于港口工程技术领域，本高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法包括：收集高桩码头和船舶的信息；获取不同船舶质量下不同撞击速度作用下高桩码头桩基的位移延性比数据集；建立高桩码头桩基损伤指标与损伤状态之间的对应关系；获取不同船舶质量下不同损伤状态下高桩码头的损伤概率和超越概率，生成高桩码头在不同损伤状态下的易损性曲线；开展高桩码头可恢复性分析；建立高桩码头韧性评价指标体系。本发明从概率理论的角度科学地揭示船舶撞击高桩码头易损性分析及撞击后的可恢复性，实性。21.一种高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，其特征在于，包括：S1:收集高桩码头的结构设计信息、构件材料信息和船舶信息；S2:建立船舶撞击高桩码头的有限元仿真模型，采用有限元仿真模型模拟船舶碰撞过程，获取不同船舶质量下不同撞击速度作用下高桩码头桩基的位移延性比数据集；S3:获取桩基截面弯矩与曲率之间的对应关系，通过桩基截面弯矩与曲率之间的对应关系确定桩基在不同破坏状态下的临界值，结合位移延性比数据集，建立高桩码头桩基损伤指标与损伤状态之间的对应关系；建立高桩码头桩基损伤指标与损伤状态之间的对应关系包括：获取钢筋等效屈服时的曲率钢筋首次屈服时的曲率，根据钢筋等效屈服时的曲率钢筋首次屈服时的曲率计算获取高桩码头桩基等效屈服强度位移延性比；获取桩基的等效高度、纵向钢筋的直径以及纵向钢筋抗拉强度标准值，根据桩基的等效高度、纵向钢筋的直径以及纵向钢筋抗拉强度标准值计算获取桩基的塑性铰长度；获取桩基的塑型铰长度，结合预设混凝土应变曲率、钢筋等效屈服时的曲率以及钢筋首次屈服时的曲率，计算获取预设混凝土应变值下的位移延性比；根据预设混凝土应变值下的位移延性比获取预设混凝土应变值下的最大位移延性比；获取首根钢筋屈服的位移延性比，结合高桩码头桩基等效屈服强度位移延性比、预设混凝土应变值下的位移延性比以及预设混凝土应变值下的最大位移延性比，确定以高桩码头桩基位移延性比定义的损伤指标；S4:根据高桩码头桩基损伤指标与损伤状态之间的对应关系，获取不同船舶质量下不同损伤状态下高桩码头的损伤概率和超越概率，进而生成高桩码头在不同损伤状态下的易损性曲线；S5:根据高桩码头的不同损伤状态开展高桩码头可恢复性分析；开展高桩码头可恢复性分析包括：基于不同破坏状态的超越概率计算高桩码头破坏概率，结合不同破坏状态的功能损失比计算剩余功能；获取各损伤状态对应的修复方法，根据各损伤状态对应的修复方法确定码头的修复时采用三角分布建立修复时间样本，通过正态分布拟合得到修复时间的概率分布；S6:通过耦合易损性曲线与可恢复性分析结果，计算基于不同恢复函数的高桩码头韧性评价指标，以实现船舶撞击工况下码头结构韧性水平的量化评估。2.根据权利要求1所述的高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，其特征在于，在S1中，结构设计信息包括码头结构类型和结构尺寸，构件材料信息包括混凝土强度、钢筋尺寸和钢筋强度，船舶信息包括码头设计最大靠泊的船舶质量和船舶撞击速度。3.根据权利要求1所述的高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，其特征在于，在S2中，获取不同船舶质量下不同撞击速度作用下高桩码头桩基的位移延性比数据集包括：基于有限元分析软件构建船舶撞击高桩码头的有限元仿真模型；分别对船舶模型和码头模型赋予相应的材料性能；采用嵌固点法对桩-土相互作用进行等效简化；通过显式动力分析方法模拟船舶碰撞码头的能量传递过程；3获取不同船舶质量下不同撞击速度下高桩码头桩基的位移延性比数据集。4.根据权利要求1所述的高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，其特征在于，获取不同船舶质量下不同损伤状态下高桩码头的损伤概率和超越概率包括：确定船舶桩基速度的概率分布；通过蒙特卡洛方法随机生成桩基速度数据集；针对不同船舶质量工况，对桩基速度样本集进行有限元显式动力分析，获取在不同撞击速度下桩基位移延性比数据集；基于高桩码头桩基损伤指标与损伤状态之间的对应关系计算不同船舶质量下不同损伤状态下的损伤概率，进而计算获不同船舶质量下不同损伤状态下的取超越概率。5.根据权利要求4所述的高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，其特征在于.损伤状态6.根据权利要求1所述的高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，其特征在于，在S6中，建立基于不同恢复函数的高桩码头韧性评价指标体系包括：选择恢复函数模型描述高桩码头功能恢复过程；通过恢复函数模型计算韧性指标；根据韧性指标进行韧性评级。7.根据权利要求6所述的高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，其特征在于，恢复函数直线型的数学表达式为：指数型的数学表达式为：三角型的数学表达式为：为恢复时间。8.根据权利要求6所述的高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，其特征在于，确定不同船舶质量和撞击速度下的高桩码头韧性评价指标包括：选用恢复函数；获取船舶撞击初始时间、高桩码头结构性能恢复时间，基于不同破坏状态对应的可恢4高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法技术领域[0001]本发明涉及港口工程技术领域，特别涉及一种高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方背景技术[0002]高桩码头作为港口建设的主要结构形式，因其自重轻、消浪效果好、适应软土地基等优势，在我国港口工程中广泛应用。然而，在其全寿命周期内，高桩码头常面临台风、地震、船舶撞击等极端动力荷载的威胁，尤其是随着船舶大型化趋势加剧，超规范设计船型的碰撞事故频发，使得码头结构在冲击荷载下的动力响应机制与损伤演化规律成为关键安全[0003]抗震韧性定义为建筑物在遭受特定水准地震作用后，维持或恢复原有建筑功能的能力，抗震韧性指标则为用于评价建筑物在地震作用下维持或恢复其原有功能能力的参数。目前，国内外关于结构韧性的研究主要集中在抗震韧性领域，且研究对象多为房屋建筑和桥梁，针对船舶冲击荷载作用下的结构韧性研究严重不足，且现有韧性评价体系缺乏对不同结构类型、功能及重要性建筑的差异化分析，难以对船撞码头事故进行精准的风险定量评估，进而难以通过准确预测和分析冲击荷载对码头结构的影响来指导高桩码头加固设计和维护决策，影响高桩码头的整体安全性。发明内容[0004]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，能够对船撞码头事故进行精准的风险定量评估，降低灾害风险及运维成本，提高高桩码头的整体安全性，延长码头使用寿命。[0005]根据本发明实施例的高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，包括：[0006]S1:收集高桩码头的结构设计信息、构件材料信息和船舶信息；[0007]S2:建立船舶撞击高桩码头的有限元仿真模型，采用有限元仿真模型模拟船舶碰撞过程，获取不同船舶质量下不同撞击速度作用下高桩码头桩基的位移延性比数据集；[0008]S3:获取桩基截面弯矩与曲率之间的对应关系，通过桩基截面弯矩与曲率之间的对应关系确定桩基在不同破坏状态下的临界值，结合位移延性比数据集，建立高桩码头桩基损伤指标与损伤状态之间的对应关系；[0009]S4:根据高桩码头桩基损伤指标与损伤状态之间的对应关系，获取不同船舶质量下不同损伤状态下高桩码头的损伤概率和超越概率，进而生成高桩码头在不同损伤状态下的易损性曲线；[0010]S5:根据高桩码头的不同损伤状态开展高桩码头可恢复性分析；[0011]S6:通过耦合易损性曲线与可恢复性分析结果，计算基于不同恢复函数的高桩码头韧性评价指标，以实现船舶撞击工况下码头结构韧性水平的量化评估。[0012]根据本发明实施例的高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，至少具有如下有益效5果：通过整合高桩码头结构参数与船舶特征数据构建仿真模型分析模拟船舶撞击全过程，定量获取桩基动力响应，进而基于损伤指标与损伤状态的量化关系建立概率统计模型，模拟不同工况下的高桩码头易损性曲线，在此基础上结合损伤状态分级开展高桩码头可恢复性分析，最终通过耦合易损性分析与可恢复性分析，求解船舶撞击高桩码头的韧性指标，从概率理论的角度科学地揭示船舶撞击高桩码头易损性分析及撞击后的可恢复性，建立了一种高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，实现了从撞击过程仿真、损伤概率、韧性量化评估的全链条闭环分析以及对船舶撞击对码头的动态损伤的量化，进而实现对高桩码头加固设计和维护决策的指导，由此降低灾害风险及运维成本，延长码头使用寿命，提高高桩码头的整体安全性，为今后船舶撞击作用的高桩码头韧性评价分析提供理论参考。[0013]根据本发明的一些实施例，在S1中，结构设计信息包括码头结构类型和结构尺寸，构件材料信息包括混凝土强度、钢筋尺寸和钢筋强度，船舶信息包括码头设计最大靠泊的船舶质量和船舶撞击速度。[0014]根据本发明的一些实施例，在S2中，获取不同船舶质量下不同撞击速度作用下高桩码头桩基的位移延性比数据集包括：基于有限元分析软件构建船舶撞击高桩码头的有限元仿真模型；分别对船舶模型和码头模型赋予相应的材料性能；采用嵌固点法对桩-土相互作用进行等效简化；通过显式动力分析方法模拟船舶碰撞码头的能量传递过程；获取不同船舶质量下不同撞击速度下高桩码头桩基的位移延性比数据集。[0015]根据本发明的一些实施例，在S3中，建立高桩码头桩基损伤指标与损伤状态之间的对应关系包括：获取钢筋等效屈服时的曲率钢筋首次屈服时的曲率，根据钢筋等效屈服时的曲率钢筋首次屈服时的曲率计算获取高桩码头桩基等效屈服强度位移延性比；获取桩基的等效高度、纵向钢筋的直径以及纵向钢筋抗拉强度标准值，根据桩基的等效高度、纵向钢筋的直径以及纵向钢筋抗拉强度标准值计算获取桩基的塑性铰长度；获取桩基的塑型铰长度，结合预设混凝土应变曲率、钢筋等效屈服时的曲率以及钢筋首次屈服时的曲率，计算获取预设混凝土应变值下的位移延性比；根据预设混凝土应变值下的位移延性比获取预设混凝土应变值下的最大位移延性比；获取首根钢筋屈服的位移延性比，结合高桩码头桩基等效屈服强度位移延性比、预设混凝土应变值下的位移延性比以及预设混凝土应变值下的最大位移延性比，确定以高桩码头桩基位移延性比定义的损伤指标。[0016]根据本发明的一些实施例，获取不同船舶质量下不同损伤状态下高桩码头的损伤概率和超越概率包括：确定船舶桩基速度的概率分布；通过蒙特卡洛方法随机生成桩基速度数据集；针对不同船舶质量工况，对桩基速度样本集进行有限元显式动力分析，获取在不同撞击速度下桩基位移延性比数据集；基于高桩码头桩基损伤指标与损伤状态之间的对应关系计算不同船舶质量下不同损伤状态下的损伤概率，进而计算获不同船舶质量下不同损伤状态下的取超越概率。坏和完全破坏五个等级。[0018]根据本发明的一些实施例，在S5中，开展高桩码头可恢复性分析包括：基于不同破坏状态的超越概率计算高桩码头破坏概率，结合不同破坏状态的功能损失比计算剩余功能；获取各损伤状态对应的修复方法，根据各损伤状态对应的修复方法确定码头的修复时间；采用三角分布建立修复时间样本，通过正态分布拟合得到修复时间的概率分布。6[0019]根据本发明的一些实施例，在S6中，建立基于不同恢复函数的高桩码头韧性评价指标体系包括：选择恢复函数模型描述高桩码头功能恢复过程；通过恢复函数模型计算韧性指标；根据韧性指标进行韧性评估。[0020]根据本发明的一些实施例，恢复函数包括直线型、指数型和三角型中的任一种，其[0023]指数型的数学表达式为：[0025]三角型的数学表达式为：[0028]根据本发明的一些实施例，确定不同船舶质量和撞击速度下的高桩码头韧性评价指标包括：选用恢复函数；获取船舶撞击初始时间、高桩码头结构性能恢复时间，基于不同破坏状态对应的可恢复性曲线，计算获取韧性指标。[0029]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。附图说明[0030]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得[0031]图1为本具体实施例高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法的流程示意图；[0032]图2为本发明实施例提供的蒙特卡洛抽样1000组服从极值I型分布的船舶撞击速度取值图；[0033]图3为本发明具体实施例提供的船舶撞击作用的高桩码头易损性曲线图；[0034]图4为本发明具体实施例提供的船舶撞击作用的高桩码头破坏概率曲线图；[0035]图5为本发明具体实施例提供的船舶撞击作用的高桩码头恢复曲线图。具体实施方式指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。7性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。[0039]请参照图1至图5,本实施例公开了一种高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，包[0040]S1:收集高桩码头的结构设计信息、构件材料信息和船舶信息；[0041]S2:建立船舶撞击高桩码头的有限元仿真模型，采用有限元仿真模型模拟船舶碰撞过程，获取不同船舶质量下不同撞击速度作用下高桩码头桩基的位移延性比数据集；[0042]S3:获取桩基截面弯矩与曲率之间的对应关系，通过桩基截面弯矩与曲率之间的对应关系确定桩基在不同破坏状态下的临界值，结合位移延性比数据集，建立高桩码头桩基损伤指标与损伤状态之间的对应关系；[0043]S4:根据高桩码头桩基损伤指标与损伤状态之间的对应关系，获取不同船舶质量下不同损伤状态下高桩码头的损伤概率和超越概率，进而生成高桩码头在不同损伤状态下的易损性曲线；[0044]S5:根据高桩码头的不同损伤状态开展高桩码头可恢复性分析；[0045]S6:通过耦合易损性曲线与可恢复性分析结果，计算基于不同恢复函数的高桩码头韧性评价指标，以实现船舶撞击工况下码头结构韧性水平的量化评估。[0046]通过整合高桩码头结构参数与船舶特征数据构建仿真模型分析模拟船舶撞击全过程，定量获取桩基动力响应，进而基于损伤指标与损伤状态的量化关系建立概率统计模型，模拟不同工况下的高桩码头易损性曲线，在此基础上结合损伤状态分级开展高桩码头可恢复性分析，最终通过耦合易损性分析与可恢复性分析，求解船舶撞击高桩码头的韧性指标体系，由此从概率理论的角度科学地揭示船舶撞击高桩码头易损性分析及撞击后的可恢复性，建立了一种高桩码头的抗船舶撞击韧性评估方法，实现了从撞击过程仿真、损伤概率、韧性量化评估的全链条闭环分析，实现对船舶撞击对码头的动态损伤的量化，并建立系统性韧性评价体系，以指导高桩码头加固设计和维护决策，降低灾害风险及运维成本，延长码头使用寿命，提高高桩码头的整体安全性，为今后船舶撞击作用的高桩码头韧性评价分析提供理论参考。[0047]在本发明的一些具体实施例中，在S1中，结构设计信息包括码头结构类型和结构尺寸，构件材料信息包括混凝土强度、钢筋尺寸和钢筋强度，船舶信息包括码头设计最大靠泊的船舶质量和船舶撞击速度。[0048]在本发明的一些具体实施例中，在S2中，获取不同船舶质量下不同撞击速度作用下高桩码头桩基的位移延性比数据集包括：基于有限元分析软件构建船舶撞击高桩码头的有限元仿真模型；分别对船舶模型和码头模型赋予相应的材料性能；采用嵌固点法对桩-土相互作用进行等效简化；通过显式动力分析方法模拟船舶碰撞码头的能量传递过程；获取不同船舶质量下不同撞击速度下高桩码头桩基的位移延性比数据集。[0049]在本发明的一些具体实施例中，在S3中，建立高桩码头桩基损伤指标与损伤状态之间的对应关系包括：[0050]S3.1:获取钢筋等效屈服时的曲率钢筋首次屈服时的曲率，根据钢筋等效屈服时8以及钢筋首次屈服时的曲率，计算获取预设混凝[0059]S3.4:根据预设混凝土应变值下的位移延性比获取预设混凝土应变值下的最大位[0062]S3.5:获取首根钢筋屈服的位移延性比，结合高桩码头桩基等效屈服强度位移延9;整体失效状态超伤状态超越概率为;严重损伤状态超越概率为[0071]S5.1:基于不同破坏状态的超越概率计算高桩码头破坏概率，高桩码头破坏概率如表1所示。轻微破坏中等破坏严重破坏完全破坏修复时间(天)轻微破坏中等破坏严重破坏完全破坏137277套筒3000007表3不同损伤状态的修复时间损伤状态修复时间(天)中值下值分布类型轻微破坏5三角分布中等破坏三角分布严重破坏三角分布完全破坏三角分布S5.3:采用三角分布建立修复时间样本，通过正态分布拟合得到修复时间的概率韧性评级出色良好中等较差[0103]S2:建立船舶撞击高桩码头的有限元仿真模型，采用有限元仿真模型模拟船舶碰息和船舶信息采用表5-表7的参数。构件名称长(m)宽(m)高(m)梁板桩帽构件名称弹性模量(密度(kg/m³)泊松比梁//板//桩帽/////表7船舶信息名称长(m)宽(m)高(m)弹性模量泊松比船舶根据船舶质量换算在本发明的具体实施例中，拟研究的高桩码头设计规定最大靠泊的船舶质量为[0113]S3:获取桩基截面弯矩与曲率之间的对应关系，通过桩基截面弯矩与曲率之间的等效高度(m),φ4为混凝土应变等于0.004的曲率，φy为钢筋等效屈服时的曲率，中y为钢筋首次屈服时的曲率；的位移延性比。[0123]在本发明的具体实施例中，根据上述计算结果，可以得到高桩码头桩基位移延性比定义的高桩码头桩基损伤指标与损伤状态之间的对应关系，见表8。[0124]表8高桩码头桩基位移延性比定义的损伤指标[0127]S4:根据高桩码头桩基损伤指标与损伤状态之间的对应关系，获取不同船舶质量下不同损伤状态下高桩码头的损伤概率和超越概率，进而生成高桩码头在不同损伤状态下的易损性曲线。[0128]根据所述表8高桩码头损伤状态与损伤指标的对应关系，计算不同船舶质量在不同损伤状态下的损伤概率，其中，损伤概率由如下公式计算：体失效的损伤概率，C₁、C₂、C₃和C₄分别为不同船舶质量的n组船舶撞击模拟中发生轻微损随机抽样次数。[0131]在绘制易损性曲线前，首先获取不同船舶质量在各个损伤状态的损伤概率，将轻微损伤状态的超越概率确认为轻微破坏状态、中等破坏状态、严重破坏状态及完全破坏状态的概率之和，将中等损伤状态的超越概率确认为中度损伤状态、严重损伤状态及整体失效状态的概率之和，将严重损伤状态的超越概率确认为严重损伤状态和整体失效状态的概率之和，将整体失效状态的超越概率确认为整体失效状态的概率。[0132]即，不同船舶质量对应的轻微破坏状态超越概率为：;中等破坏状态超越概率为I;严重破坏状态超越概率为N;完全破坏状态超越概率为N,计算获取本具体实施例中各个损伤状态的超越概率如表9所示。[0133]表9各个损伤状态的超越概率轻微破坏中等破坏严重破坏完全破坏[0135]根据不同船舶质量与高桩码头损伤状态的超越概率之间的关系，绘制码头在不同[0136]S5:根据高桩码头的不同损伤状态开展高桩码头可恢复性分析。[0137]需要说明的是，船舶撞击高桩码头的剩余功能，与其破坏程度直接相关，基于不同破坏状态易损性的超越概率结合如下公式求解高桩码头破坏概率：[0139]式中，PDsi为某一船舶质量作用下码头损伤状态为i的破坏概率，Pf;为某一船舶质量作用下各个破坏状态的超越概率，i为破坏状态的数目，本具体实施例的求解结果如图4所示。[0140]结合不同破坏状态的功能损失比计算船舶撞击高桩码头的剩余功能，剩余功能损失函数数学表达式为：[0142]式中，PDsi表示与损伤状态i对应的破坏概率，Li为损伤状态i对应的功能损失比，本具体实施例的求解结果如表10所示。轻微破坏中等破坏严重破坏完全破坏[0